超低碳控氮奧氏體不銹鋼電渣重熔工藝實踐

王立 郭顯勝 王鵬飛 周沛沛

(洛陽中重鑄鍛有限責(zé)任公司，河南471000)

F316超低碳控氮奧氏體不銹鋼具有良好的耐蝕性、耐高溫強度，加工硬化性能良好[1]，可用于高溫條件下的硫酸(濃度介于15%～85%)環(huán)境，以及海水和其它腐蝕介質(zhì)環(huán)境，在核電設(shè)施中作為重要結(jié)構(gòu)材料使用[1-2]。其制造的關(guān)鍵是保證超低碳、氮含量以及控制夾雜物狀態(tài)，為保證鍛造性能，還要求鋼錠具有優(yōu)良的表面質(zhì)量[3-5]。

傳統(tǒng)鋼錠采用EBT→LF→VOD→VC真空澆注工藝生產(chǎn)制造。隨著核電、石化、冶金領(lǐng)域鍛件的大型化、重型化發(fā)展，高合金材料在偏析控制方面的不足之處突顯，其力學(xué)性能不穩(wěn)定問題已經(jīng)不能滿足鍛件發(fā)展需要。電渣重熔技術(shù)在偏析控制、純凈度方面的優(yōu)勢，與鍛件發(fā)展趨勢契合，成為高端、大型、重型鍛件生產(chǎn)制造流程中的重要一環(huán)。為滿足產(chǎn)品的技術(shù)要求，公司采用EBT→LF→VOD→ESR冶煉工藝方案，進行2個爐次，直徑1100 mm超低碳控氮奧氏體不銹鋼電渣錠的工藝試驗，以滿足高純凈度、高均一性電渣錠的需求，從而保證鍛件的各項力學(xué)性能指標(biāo)。

1 冶煉工藝過程及控制要點

1.1 技術(shù)要求

F316不銹鋼的化學(xué)成分和殘余元素要求如表1所示。

表1 化學(xué)成分要求(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical composition requirements(mass fraction,%)

鍛件的非金屬夾雜物按照GB/T 10561—2005進行評級，每批做一次試驗，非金屬夾雜物試樣應(yīng)包括鍛件全部厚度范圍，其中各類夾雜物級別要求見表2。

表2 非金屬夾雜物要求Table 2 Requirements of non-metallic inclusions

鐵素體含量測量按照GB/T 13298—2015或GB/T 18876.1—2002執(zhí)行，要求其含量必須小于1%。

1.2 自耗電極控制要點

自耗電極采用EBT→LF→VOD→VCD→VD化渣→氬氣保護澆注電極工藝，前期保證鋼水純凈度及化學(xué)元素滿足技術(shù)要求。

(1)配料

配料選用低殘余鋼板料、鉻鐵等原料，保證殘余元素As、Sb、Bi、Sn、Pb、V等滿足要求。

(2)初煉(EBT)

電爐冶煉匹配吹氧量和噴碳量，防止鋼水過氧化，電爐出鋼C含量0.10%～0.15%，爐后按0.5 kg/t鋼水加入鋁塊進行預(yù)脫氧。

(3)精煉(LF)

精煉使用石灰、螢石造渣，渣量控制在30～35 kg/t鋼水，要求精煉出鋼S≤0.003%。待鋼水溫度≥1630℃后，分批加入合金?；瘜W(xué)成分滿足要求后，提溫至1660～1680℃出鋼除渣。

(4)真空氧脫碳(VOD)

VOD開始溫度1580～1620℃，槍位1200 mm，預(yù)吹氧氣流量150～200 m3/h，預(yù)吹3 min后改為主吹，氧氣流量提高至300～400 m3/h。VOD過程真空度由15 kPa逐漸降低至2 kPa，以爐內(nèi)廢氣溫度曲線出現(xiàn)拐點判定為吹氧終點。停氧后，快速提高真空度至≤66 Pa，進行15 min的真空碳脫氧。破空后加入Al塊、Si-Fe粉、石灰、螢石造渣。吹入氮氣進行鋼水增氮。

(5)澆注

澆注前用干燥空氣置換鋼錠模內(nèi)的空氣，按照1 kg/t鋼水吊掛保護渣。

1.3 電渣重熔控制要點

電渣重熔技術(shù)是一種集精煉和定向凝固于一體的特殊冶煉工藝，化學(xué)元素、夾雜物狀態(tài)大多屬于遺傳狀態(tài)，電渣重熔使其得到純凈度高、成分均勻、組織致密和表面光潔的鋼錠。

(1)電極拋丸去除表面殘渣，鋸切去除冒口。

(2)F316為超低碳不銹鋼，采用Ti質(zhì)引弧劑起弧化渣，引弧劑少量使用，預(yù)熔渣使用CaF2-Al2O3-CaO三元渣進行電渣重熔。化渣時間控制在90 min以內(nèi)，防止化渣電極增碳。

(3)電渣重熔過程采用恒熔速控制，熔速控制在(15±3)kg/min。由圖1所示可以發(fā)現(xiàn)在交換電極前后通過控制電流、電壓提高熔速，以達(dá)到提高渣溫的目的，防止交換電極階段渣池溫度過低造成渣溝的出現(xiàn)。實際冶煉過程需要根據(jù)電極烘烤狀態(tài)靈活調(diào)整工藝參數(shù)，保證重熔質(zhì)量。

(a)電渣錠1

(4)冷卻水進水溫度控制在≤30℃，兩爐次電渣錠實際冶煉過程水溫控制如圖2所示，重熔過程進水溫度可以達(dá)到技術(shù)要求。冶煉過程使用惰性氣體進行保護，保護氣氛控制氧含量在1%～3%。

(a)電渣錠1

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)成分變化

表3化學(xué)成分檢驗結(jié)果表明：從電極到電渣錠，化學(xué)成分波動小，成分均勻。

表3 化學(xué)成分檢驗結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 3 Chemical compositions test results(mass fraction,%)

電渣重熔過程中采用惰性氣體進行保護，將外界空氣與熔煉環(huán)境隔離，大氣無法向金屬熔池傳氧，易氧化元素的燒損問題得到控制，易氧化元素C、Si、Mn的含量波動較小。從檢驗結(jié)果來看，三元渣系CaF2-Al2O3-CaO具備一定的脫硫能力，對控制鋼中硫化物的形成具有顯著的影響[6]。

2.2 非金屬夾雜

表4非金屬夾雜物檢驗結(jié)果表明：電渣錠中無各類粗系夾雜物，并且細(xì)系夾雜物A細(xì)、B細(xì)、C細(xì)、D細(xì)、DS之和達(dá)到2.0級，滿足產(chǎn)品純凈度技術(shù)要求。

表4 非金屬夾雜物檢驗結(jié)果Table 4 Test results of non-metallic inclusions

電渣重熔的凈化、吸收夾雜物的能力直接與渣系的類型有關(guān)，CaF2-Al2O3-CaO渣系在穩(wěn)定電渣錠的純凈度方面表現(xiàn)良好。熔速影響金屬熔池形狀，采用較低的熔速獲得淺平熔池，利于夾雜物的上浮、吸收，較低的熔速可在電極尖端獲得較薄的高溫金屬液膜，液膜中的夾雜物與熔渣接觸直接被熔渣吸附，并且良好的渣-金反應(yīng)界面，有利于夾雜物的去除。

2.3 鐵素體

通過改善電渣錠的凝固條件，并配合高溫固溶處理，電渣錠的鐵素體含量得到了控制，并且含量<1%，結(jié)果見圖3。

圖3 鐵素體含量檢測結(jié)果(320×)Figure 3 Ferrite content test results(320×)

3 結(jié)論

(1)采用EBT→LF→VOD→ESR工藝方案生產(chǎn)直徑為1100 mm，材質(zhì)為F316的電渣錠，經(jīng)取樣檢驗，結(jié)果表明化學(xué)成分穩(wěn)定、純凈度高，能滿足超低碳控氮奧氏體不銹鋼F316的技術(shù)要求。

(2)惰性氣體保護電渣重熔，對控制C、Si、Mn等易氧化元素的燒損效果明顯。

(3)恒熔速控制、控制冷卻水溫度可以有效提升鋼錠凝固質(zhì)量。

(4)CaF2-Al2O3-CaO渣系電渣重熔F316，獲得了良好的純凈度效果，尤其可控制鋼中硫化物夾雜物含量，并且配合較低的熔速，可形成良好的渣-金反應(yīng)條件，提高鋼的純凈度。